1. 肠道微生物同食共生是什么意思
共生又叫互利共生,是两种生物彼此互利地生存在一起,缺此失彼都不能生存的一类种间关系,是生物之间相互关系的高度腊粗发展。共生的生物在生理上相互分工,互换生命活动的产物,在组织上形成了新的结构。彼此互不相害。
动物的消化道里有无数的细菌和其他微生物。动物排出的食物残渣主要依靠细菌对食物的分解产生。这些细菌具有多种功能,但其首要职责是分解消化道内的物质,如果没有它们,动物的消化道就无法完成这一任务。比如,大量困局袭未经消化的碳水化合物进入肠道,肠道中的细菌能把它们分解成可以吸收和转化的各种酸性物质。就这样,动物体利用细菌消化,从食物中获取更多的营养和热量,而消化道(肠道)的细菌则通过动物体获得稳定的食物供应。
例如,人和人体肠道的正常菌群之间也是共生关系。人体肠道的正常菌群在一汪兄般情况下,它们的巨大数量足以排阻和抑制外来肠道致病菌的入侵,还为人提供维生素B1、B2、B12、K、叶酸等营养物质。而人体肠道为这些微生物提供良好的生活场所。所以,当人长期服用广谱抗生素致使肠道中正常菌群失调后,就会出现维生素缺乏症。
2. 微生物组生态学:网络,竞争,稳定性
目录
我们的肠道中定居着千百种微生物,这些微生物对我们有着很重要的作用,比如可以帮助食物中复杂分子降解,保护我们免受致病菌侵害,有助于免疫系统的健康发育等等。
这些定居在我们肠道中的所有微生物形成的群落,我们称之为 肠道微生物组 。
肠道微生物组具有显着的生态稳定性,不同的人携带不同的微生物,但每个人都趋向于长时间携带着一些相同的关键微生物。这种稳定性被认为对人们的健康有着重要的作用,因为这保证了有益的共生体(如某些益生菌)以及和它们相关联的功能将在长时间内维持稳定。同样,当一个人的微生物组主要成分发生转变时,常常会处于不太健康的状态。
因此,肠道微生物组的稳定性非常重要,那么,是什么扮肢穗让肠道微生物组稳定的呢?
什么促进/扰乱了肠道微生物组的稳定性?
生态领域利用网络模型处理大量且复杂的群体,因此在网络模型基础上发展理论,建立适用于肠道微生物组的网络理论。
A)微生物之间相互作用的网络,包括内部相互作用(-s)以及与其它种(a ij )产生的相互作用。
B)耦合常微分方程,基于Lotka-Volterra模型,包含所有可能的联结、相互作用类型(例如,合作,竞争,利用)、物种数(S),包含了稳态中所有可能出现的微生物。X i :物种i的密度;r i :物种i的生长速率;s i :物种i种内的相互作用;t:时间。
C)在扰动后,可以恢复到之前密度的群落称为稳定的。回到稳态的速度越快,稳定性越强,如果连续偏离稳态,认为是不稳定的。
D)基于线性稳定性分析,得出特征值,包含实部(Re)和虚部(Im);Re的值越负,群落回到稳态的越快,稳定性越强;Im的值越大,群落回到稳态的过程中发生震荡的频率越高;以B图中三个样本(紫色、褐色、绿色)作图,得到特征值的图。椭圆型边界是分析边界,特征值都位于边界内,椭圆边界最右点可认为是最大特征值,可用其代表该群落的稳定性,但对于某些参数,特征值会位于椭圆外(该点对应了相互作用矩阵的平均行和)。
此外,由于线性模型具有一定的局限(虽然普适但只能分析当群落接近稳态时是否稳定,并且不能提供群落如何远离稳态的信息),又发展了基于持久性分析和个体模型的方法加以补充。
图中P m 指合作关系网络在所有关系网络中所占的比例;P c 指竞争关系在所有关系网络中所占的比例。使用了三种分析方式,得到的结论一致,随着群落中合作网络的增加,群落稳定性下降,支持了厅卜 合作降低稳定性 的结论。
A)合作网络关系增加示意图
B)局部稳定性分析,随着合作的增加,最大特征值不断增加,稳定性降低。
C-E)由于局部稳定性分析具有一定的局限(虽然普适但只能分析当群落接近稳态时是否稳定,并且不能提供群落如何远离稳态的信息),基于持久性分析和个体模型的方法,又进行了测试,结果与线性稳定性分析一致。
F)基于个体模型的动力学分析表明,在持久性群落中,发生扰动后,会维持它们最初的物种,而非持久性群落中,扰动可能会导致物种的灭绝。
为什么合作会降低稳定性呢?
合作减稳效应的出现可能是由于合作关系引起了物种与正反馈回路的耦合。处于合作关系中的物种,很容易出现依赖性,当一个物种减少时,那么就很可能造成其他物种的减少,降低系统稳定性,严重一点甚至产生连环崩溃导致全部灭绝。
有假说认为合作是微生物组稳定性的原因。尽管合作意味着物种间的互帮互助,可以更好的存活、繁殖,但并不能和稳定性划等号,正如上文所说,合作意味着创饥亏造了依赖性,并有着共同崩溃的潜在可能。
所以,对于宿主来说要做一道选择题:增加合作关系可以促进代谢效率,但这是以降低生态稳定性为代价的。
模型预测 竞争可以提高微生物组的稳定性 ,不过物种多样性的增加,往往会伴随着生态系统稳定性的降低,那么竞争和多样性的增加如何形成一个稳定的微生物组呢?
A)逐渐在只有合作网络的微生物群落中增加物种和竞争网络。
B)增加竞争者物种到由100个合作物种组成的初始群落中的特征值分布情况;通常,随着竞争者物种的加入,特征值不断减小,这意味着群落的稳定性在逐步增强;然而,随着物种数增加,特征值边界会变宽,当宽到包含了最右(大)的特征值时(当点移动到椭圆里),稳定性会降低。
C)生态稳定性是竞争者物种数增加的函数(黑色实线);最初,竞争者的加入会增加稳定性,因为降低了合作的比例(P m ,蓝线)。不过,最终竞争者的增加会导致稳定性下降,这与B图中椭圆变宽一致,这种趋势在具有不同种内相互作用(-s)的情况下中也是一致的(点线)。
尽管物种数的增加会降低稳定性,但同时增加的竞争激活了 负反馈 回路,这会带来一个稳定性效应。这样的稳定性效应会在开始主导群落的稳定性。
竞争所引起的稳定性效应反映了一个更加通用的原则: 抑制正反馈回路将会提高稳定性 。
在系统失调和感染时,适应性免疫被认为可以通过抑制一些有害物种的丰度,帮助我们重建一个健康的微生物组。在模型中加入密度依赖调节的规则后,发现确实能使得群落稳定。换一个角度,宿主的免疫调节对于某一物种来说是抑制的,它们之间可以看作是竞争的关系,实际上通过免疫调节限制了正反馈的程度,避免了正反馈回路失控。
减弱种间相互作用的过程可以提高稳定性,因为这些过程减少了驱动失稳的耦合。同时如果用多个低强度的合作网络替换高强度的合作网络,增加冗余度,同样也会提高稳定性。
很有意思的是,当引入一定的 空间结构 时,群落的稳定性会提高但相互作用不会减弱,因此,宿主可能会通过肠道分区的方式控制肠道微生物组的相互作用,避免出现灭绝的风险。
当提供营养时,肠道微生物组总是更稳定。
宿主可以为肠道微生物提供营养,这种情况可能会 削弱微生物之间的相互作用 。举个例子:菌A可以产生一种碳源C,而菌B需要利用碳源C。如果宿主提供碳源C,那么菌B和菌A之间的相互作用就减弱了。
研究常常关注于肠道微生物组内的相互作用,而宿主提供营养可能会对种间关系有很大影响。宿主提供营养使得微生物打破群落内的限制,快速增长,最后达到了宿主所能提供的外在条件的限制。此时,种群之间将会为了 争夺宿主有限的供给能力 变成竞争关系,又一次证明了竞争可以提高稳定性。
A)三种分析方法显示空间结构提高了生态稳定性。
B)针对性喂养,宿主提供营养削弱合作相互作用可以提高稳定性。(在IbM模型,P m =0.25中,有一个例外,可能使得有很多竞争性种群的群落失稳,但是影响很小)
C)非针对性喂养可以增加稳定性。左图显示供给可以让微生物群落快速增长,被宿主的供给能力所限制。限制空间和营养意味着在之前处于合作关系的种群将会转变成竞争者(竞争可通过在一个群落中移除一个物种并观察到大多数剩余物种密度的增加来证明);右图显示当从群落中移除一个种群后,宿主提供营养的群落可以很快稳定下来,而不提供营养的群落则很难稳定下来。
D)使用前人发表的小鼠微生物组数据测试。大多数相互作用都是弱相互作用,比种内相互作用还弱,并且主要是竞争和利用的关系;
测试证明,相关结论成立,微生物组相互作用趋于非合作或减弱。
微生物组的组成十分复杂,宿主很难单独地控制每一个物种,不过研究表明,宿主可以通过宏观的、系统层面的手段管控微生物组,并从中获益。
微生物组因为组成的复杂性研究起来非常困难,但其对宿主健康等具有重要的影响,并且微生物组的影响属于环境因素,对微生物组的操控要比对宿主本身基因组的操控让人放心。理解、操控微生物组有着非常光明的前景,为此需要理解和设计微生物组内至关重要的某些相互作用。上述工作为微生物组的量化预测提供了模型,并得出了令人惊讶的结论:高物种丰度的微生物组主要通过竞争保持稳定而不是合作。
要有批判精神
多伟大的科学家也会受到时代的限制,所说的不一定就是对的,尽信书不如无书。科学研究的过程就是不断debug,发现新东西的过程,文艺一点可以称之为追求真理。
大胆假设,小心求证
3. 心理学上说的共生关系是什么
共生又叫互利共生,是两种生物彼此互利地生存在一起,缺此失彼都不能生存的一类种间关系,是生物之间相互关系的高度发展。共生的生物在生理上相互分工,棚则互换生命活动的产物,在组织上形成了新的结构。地衣是众所周知的共生实例,它是藻类和菌类的共生体。除了地衣以外,在生物界的很多门类可以举出许多共生的例子来。昆虫纲等翅目的昆虫和其肠道中的鞭毛虫或细菌之间的关系就是共生关系。等翅目昆虫的肠道是鞭毛虫或细菌的栖身之所,它们帮助等翅目昆虫消化纤维素,而等翅目昆虫不仅为它们提供藏身之所,还给它们提供养料。若互相分离,两者都不能生存。豆科植物和根瘤菌是又一个共生的的实例。根瘤菌存在于土壤中,是有鞭毛的杆菌。根瘤菌与豆科植物之间有一定的寄主特异性,但不十分严格,例如豌豆根瘤菌能与豌豆共生,也能与蚕豆共生,但不能与大豆共生。在整个共生纤野阶段,根瘤菌被包围在寄主质膜所形成的侵入线中,在寄主内合成固氮酶。豆血红蛋白则系共生作用产物,具体讲,植物产生球蛋白,而血红素则由细菌合成。豆血红蛋白存在于植物细胞的液泡中,对氧具有很强的亲和力,因此对创造固氮作用所必须的厌氧条件是有利的。就这样细菌开始固氮。在植物体内细菌有赖于植物提供能量,而类菌体只能固氮而不能利用所固定的氮。所以豆科植物供给根瘤菌碳水化合物,根瘤菌供给植物氮素养料,从而形成互利共生关系。动物与微生物之间共生现象的例子也很多。牛、羊等反刍动物与瘤胃微生物共生就是其中的一个例子。反刍动物的瘤胃的链竖棚温度恒定、pH保持在5.8—6.8之间,瘤胃中的CO2、CH44等气体造成无氧环境,大量的草料经过口腔后与唾液混合进入瘤胃中,为其中的微生物提供了丰富的营养物质。瘤胃微生物分解纤维素,为反刍动物提供糖类、氨基酸和维生素等营养。两者相互依赖,互惠共生。人和人体肠道的正常菌群之间也是共生关系。人体肠道的正常菌群在一般情况下,它们的巨大数量足以排阻和抑制外来肠道致病菌的入侵,还为人提供维生素B1、B2、B12、K、叶酸等营养物质。而人体肠道为这些微生物提供良好的栖息场所。当人长期服用广谱抗生素致使肠道中正常菌群失调后,就会出现维生素缺乏症。海洋生物群落中共生现象也十分普遍,如小丑鱼和海葵之间;某些小虾和海葵之间;珊瑚鳟和隆头鱼之类担任“清洁工作”的鱼之间的关系。太平洋中有一种大珊瑚──石芝,呈美丽的翠绿色,非常漂亮,这是因为其组织中共生着一种微小的海藻的缘故。共生关系有非常重要的生态作用,据估计根瘤菌固定的氮约占生物固氮的40%。具有能够固定氮的块根的木本树种,通常是最先占领贫瘠的土壤。例如在阿拉斯加,赤杨由于块根中有共生固氮菌,故能很快占满整个冰碛土。
4. 微生物共现网络图分三块原因
环境筛选、微生枣颤悉物交互作用、遗传发育特征。共现网络是研究突出了不同环境下微生物群落间的相互作用模式重要方式,可以从网络角度理解微生物群落共现特征,包括分析不同生境下微生物之间相互作用的差异,及各个类群之间的互作模式等,是微生物生态学分析的常用手段。微生物共现网络图分三块原因:环境筛选凳乎、洞搜微生物交互作用、遗传发育特征。
5. 微生物共现网络图怎么做
选择SmartArt图形类型。这一步就是先把最初的组织结构图创建出来,我们启动一个新的文档。我们在文档中输入“企业组织机构图”,字号设置为“一号”单击“插入”/“SmartArt”,弹出“选择SmartArt图形”对话框,在该对话框左侧列表中选择“层次结构”,在中间区域选择“表层次结构”,右侧我们可以看他的一些说明,点击确,这样我们就做好了共现网络图。
6. 简述微生物间相互作用的关系有哪几种,并举例
一共七种关哗友系:种间共处、互生、共生、拮抗、竞争、寄生和捕食。
种间共处:两种微生物相互无影响的生活在一起,不表现出明显的有利或有害关系。如乳杆菌和链球菌。
互生:微生物间比较松散的联合,在联合中一方或双方都有利。如氨化菌和硝饥拆化菌。
共生:两种微生物紧密结合在一起形成一种特殊的共生体,在组织和形态上产生了新的结构,
在生理上有一定的分工。共生分为互惠共生和偏利共生。如藻类与真菌共生形成的地衣。
拮抗:两种微生物生活在一起时,一种微生物产生某种特殊的代谢产物或改变环境条件,从而抑制甚至杀死另一种微生物的现象。
竞争:生活在一起的微生物,为了生长争夺有限的营养或空间,结果使两种微生物的生长均受到烂芦枣抑制。竞争在自然界普遍存在,是推动微生物发展和进化的动力。
寄生:一种生物生活在另一种生物体表或体内,从后者的细胞、组织或体液中取得营养,前者称为寄生物,后者称为寄主,寄生物一般对寄主是有害的。如噬菌体与细菌。
捕食:一种微生物直接吞食另一种微生物。如原生动物对细菌的捕食,捕食关系在控制种群密度,组成生态系食物链中,具有重要意义。